SOT23系列產(chǎn)品MSL1封裝工藝研究

周建國，王希有

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

1 前言

濕氣不僅嚴(yán)重加速了電子元器件的損壞，而且對元件焊接過程中的影響也非常巨大，這是因為產(chǎn)品生產(chǎn)線上的元件焊接都是在高溫下進(jìn)行波峰焊或回流焊并由焊接設(shè)備自動完成的。當(dāng)將元器件固定到PCB板上時，回流焊快速加熱將在元器件內(nèi)部形成壓力，由于不同封裝結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）不同，因此可能產(chǎn)生元器件封裝不能承受的壓力。當(dāng)將元器件暴露在回流焊接期間，由于環(huán)境溫度不斷升高，SMD元件內(nèi)部的潮氣會產(chǎn)生足夠的蒸汽壓力，損傷或毀壞元件。常見的情況包括塑料從芯片或引腳框上的內(nèi)部分離（脫層）、金線焊接損傷、芯片損傷和元器件內(nèi)部出現(xiàn)裂紋（在元件表面無法觀察出來）等。在一些極端的情況中，裂紋會延伸到元件的表面，最嚴(yán)重的情況就是元件鼓脹和爆裂（即“爆米花”效應(yīng)），如圖1。

圖1 SMD爆米花現(xiàn)象

盡管進(jìn)行回流焊操作時，在180℃～200℃時少量的濕氣是可以接受的，但在230℃～260℃范圍中的無鉛工藝?yán)?，任何濕度的存在都能夠形成足以?dǎo)致破壞封裝的小爆炸（爆米花狀）或材料分層。圖2展示了SMD易發(fā)生離層的位置。

圖2 SMD易發(fā)生離層的位置

近年來集成電路封裝材料、設(shè)備及工藝技術(shù)研究進(jìn)展迅速，尤其是封裝材料及封裝設(shè)備更是日趨完善。對于SOT23系列產(chǎn)品MSL1可靠性的要求，對國內(nèi)絕大部分上規(guī)模的封測企業(yè)來說，其使用的材料性能和設(shè)備能力完全具備制造SOT23系列MSL1產(chǎn)品的條件，已不再是SOT23系列產(chǎn)品達(dá)到MSL1要求的主要/關(guān)鍵限制因素。本文重點討論影響SOT23系列產(chǎn)品達(dá)到MSL1要求的工藝過程因素，尋求SOT23系列產(chǎn)品達(dá)到MSL1要求的工藝過程控制解決方案。

2 試驗

2.1 MSL1工藝過程控制因素

本文重點討論SOT23系列產(chǎn)品達(dá)到MSL1要求的工藝過程因素，見表1。

由表1可以看出，工藝過程控制除控制機(jī)臺工藝參數(shù)外，主要要求控制過程污染、氧化及變形。本文所采用的控制方法為：分段烘烤、等離子清洗、控制工序間時間間隔及嚴(yán)格監(jiān)督執(zhí)行操作規(guī)范。

2.2 先導(dǎo)試驗流程

本試驗所用先導(dǎo)分析試驗流程如圖3。

2.3 試驗內(nèi)容

2.3.1 分段烘烤

粘片后用恒溫烘烤方法有2個缺點：（1）容易導(dǎo)致粘片膠揮發(fā)，尤其對于易揮發(fā)的粘片膠，揮發(fā)物掉落附著在框架和芯片上，造成表面直接污染或在以后的加工過程中形成更難以清除的污染物，這些污染會減低塑封料與芯片或框架的黏附力；（2）溫度不能加得很高，不能更好地去除水分。

使用分段烘烤方法可以有效解決以上恒溫烘烤的缺點。首先溫度上升到一個不太高的溫度并保持一定的時間，這樣不僅可以降低烘烤過程中的揮發(fā)，而且減少粘片膠非水分物質(zhì)衰減，使更多的物質(zhì)固化在芯片和PAD間，兩者有更好的粘結(jié)強(qiáng)度。然后在上升到一個較高的溫度后保持一定時間，可以更好地去除水分。圖4和圖5分別為試驗中用到的一種導(dǎo)電膠的恒溫烘烤和分段烘烤的烘烤曲線。

圖3 先導(dǎo)試驗流程

圖4 恒溫烘烤曲線

圖5 分段烘烤曲線

2.3.2 等離子清洗

提高引線鍵合和塑封性能的一個重要方法是使用等離子清洗。等離子清洗除能清潔掉芯片及引線框架表面的污染和氧化物之外，還能激活表面，使 結(jié)合面更加牢固。

表1 MSL1工藝過程控制因素

在我們的研究中，所有的樣品在塑封后進(jìn)行了C-Scan &T-Scan，然后繼續(xù)加工為成品，選取45只合格的樣品，按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)做MSL1先導(dǎo)試驗，進(jìn)行完峰值為260℃的3次回流后再用超聲掃描顯微鏡進(jìn)行分層檢測。在壓焊前或塑封前加等離子清洗后進(jìn)行MSL1/260℃的分層情況如表2。

通過試驗發(fā)現(xiàn)在壓焊前和塑封前都加等離子清洗對產(chǎn)品分層情況有最顯著的改善，只在壓焊前加等離子清洗可輕微改善分層情況，只在塑封前加等離子清洗會對分層有不確定的影響。

2.3.3 工序間時間間隔控制

工序間時間間隔對封裝產(chǎn)品品質(zhì)有明顯的負(fù)面影響，尤其是粘片到引線鍵合工序間時間間隔和引線鍵合到塑封工序間時間間隔。產(chǎn)品在生產(chǎn)線上滯留時間較長，會增加產(chǎn)品在生產(chǎn)線上的沾污和氧化風(fēng)險；對于上芯到引線鍵合工序，如果產(chǎn)品滯留時間較長，尤其在上芯烘烤前，由于粘片膠未固化，滯留時間較長，粘片膠會外溢擴(kuò)散到芯片區(qū)域外的載體上，甚至擴(kuò)散到內(nèi)引腳上，造成粘片膠沾污。

另外，在此期間滯留時間較長，引線框架有較大氧化風(fēng)險，影響引線鍵合質(zhì)量。引線鍵合到塑封工序，由于引線結(jié)合過程對框架有加熱過程，在此期間滯留時間較長易造成框架氧化，影響引線鍵合質(zhì)量。由于塑封車間潔凈度相對較低，若在塑封車間滯留時間較長，極易造成引線框架及芯片沾污及污染，影響塑封料與引線框架及芯片的結(jié)合強(qiáng)度。

表2 壓焊前或塑封前加等離子清洗后進(jìn)行MSL1/260℃的分層情況

2.3.4 優(yōu)化方案

將粘片到引線鍵合工序間隔時間控制在24h以內(nèi)，引線鍵合開始到塑封工序間隔時間控制在48h以內(nèi)；采用分段烘烤進(jìn)行粘片膠固化；引線鍵合及塑封前均加等離子清洗工藝；并嚴(yán)格監(jiān)督執(zhí)行操作規(guī)范。連續(xù)12批產(chǎn)品質(zhì)量均滿足MSL1可靠性要求,如表3。

表3 優(yōu)化方案結(jié)果

3 結(jié)論

隨著集成電路封裝材料、設(shè)備及工藝技術(shù)研究進(jìn)展迅速，尤其是封裝材料及封裝設(shè)備更是日趨完善。對于SOT23系列產(chǎn)品MSL1可靠性的要求，對國內(nèi)絕大部分上規(guī)模的封測企業(yè)來說，其材料性能及設(shè)備能力完全具備制造SOT23系列MSL1產(chǎn)品的條件，已不再是SOT23系列產(chǎn)品達(dá)到MSL1要求的主要/關(guān)鍵限制因素，反而工藝過程控制日益凸顯其重要性，尤其是過程污染、氧化及變形，需要封測企業(yè)加以嚴(yán)格管控。

本文通過采用分段烘烤進(jìn)行粘片膠固化、引線鍵合及塑封前進(jìn)行等離子清洗、控制工序間時間間隔、嚴(yán)格監(jiān)督執(zhí)行操作規(guī)范等措施來控制工藝過程污染、氧化及變形，實現(xiàn)了SOT23系列產(chǎn)品MSL1的質(zhì)量要求。

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